中國山洪災(zāi)害防御關(guān)鍵技術(shù)

郭 良，丁留謙 ，孫東亞 ，劉昌軍，何秉順，劉榮華

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 防洪抗旱減災(zāi)研究中心，北京 100038；2.水利部防汛抗旱工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

1 研究背景

在全球氣候溫暖化背景下，隨著山丘區(qū)局地強(qiáng)降雨頻次的增加和山丘區(qū)人類活動(dòng)的加劇，山洪災(zāi)害日漸成為防洪減災(zāi)的短板，因山洪死亡人口約占洪澇死亡人口的70%，山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警和防御日漸受到國際社會(huì)的高度重視。針對(duì)山丘區(qū)暴雨洪水受地形影響大、過程短、時(shí)空變異大、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)難，以及地形起伏變化大、植被類型和下墊面條件復(fù)雜，普遍缺乏水文實(shí)測(cè)資料、山洪陡漲陡落、產(chǎn)匯流非線性特點(diǎn)顯著、精準(zhǔn)分析模擬和預(yù)警難度大等特點(diǎn)和科技難題，世界氣象組織（WMO）、全球水伙伴關(guān)系（GWP）、國際水文科學(xué)協(xié)會(huì)（IAHS）、國際水利環(huán)境工程及研究協(xié)會(huì)（IAHR）、美國國家海洋和大氣署（NOAA）等都在加大關(guān)注和研究的力度。IAHS早在2003年就開始了“缺資料流域水文預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)”（PUB）十年計(jì)劃［1］，并取得了積極的成果。2017年9月，WMO宣布啟動(dòng)為期4年的世界首個(gè)全球水文狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)系統(tǒng)（HydroSOS）建設(shè)計(jì)劃，旨在為全球有效應(yīng)對(duì)洪水與干旱災(zāi)害提供支持［2］。

在山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，西方發(fā)達(dá)國家起步較早。美國從1970年代開始研究建立山洪災(zāi)害預(yù)警指導(dǎo)系統(tǒng)（FFGS）［3］，目前基本實(shí)現(xiàn)了山洪災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，并在研制基于分布式水文模型的山洪預(yù)報(bào)系統(tǒng)［4-5］；歐洲部分國家建立了基于洪水預(yù)報(bào)的山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)［6-7］。21世紀(jì)以來，日本基本形成了一套較為完善的山洪災(zāi)害防治體系和防御模式［8］。1990年代以來，我國臺(tái)灣省在山洪泥石流早期預(yù)警和疏散避難等方面逐步形成了較為完善的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系［9］。我國山洪災(zāi)害防治起步較晚，2010—2016年才初步建成了山洪災(zāi)害防御體系［10］，全面開展了全國山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)，在山洪災(zāi)害分布規(guī)律與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、小流域暴雨洪水規(guī)律、山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)、山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)模型、監(jiān)測(cè)預(yù)警體系和群測(cè)群防體系等方面取得了長足的進(jìn)步，但研究和應(yīng)用總體起步較晚，存在預(yù)警不夠及時(shí)準(zhǔn)確的問題。

我國近年山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目建設(shè)分為三期實(shí)施（2009—2012/2013—2015/2016—2020），結(jié)合我國國情實(shí)際和建設(shè)思路的調(diào)整，技術(shù)不斷更新，能力逐步增強(qiáng)。2006年國務(wù)院批復(fù)的《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》，首次提出了工程措施和非工程措施相結(jié)合的治理思路，明確了山洪災(zāi)害防治區(qū)的范圍。2011年國務(wù)院出臺(tái)《關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)中小河流治理和山洪地質(zhì)災(zāi)害防治的若干意見》，提出力爭(zhēng)用5年時(shí)間，使防洪減災(zāi)體系薄弱環(huán)節(jié)的突出問題得到基本解決，防御山洪地質(zhì)災(zāi)害的能力有顯著增強(qiáng)。2009—2012年，水利部實(shí)施了2058個(gè)縣的山洪災(zāi)害縣級(jí)非工程措施項(xiàng)目建設(shè)，提出自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系和群測(cè)群防體系相結(jié)合的山洪災(zāi)害防治思路；并提出在自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系方面，與國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)相結(jié)合的理念。2013—2015年實(shí)施的全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目，開展了全國山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作，提出了自動(dòng)雨量站按照水文遙測(cè)站密度標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，防治區(qū)建設(shè)密度達(dá)到50～100 km2/個(gè)，結(jié)合防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)思路，提出了省市縣級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)建設(shè)方案、架構(gòu)、基本功能和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式；提出了山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件標(biāo)準(zhǔn)和3級(jí)預(yù)警流程，歸納了小流域匯流時(shí)間內(nèi)的預(yù)警指標(biāo)確定方法。2017年，水利部印發(fā)了《全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案（2017—2020年）》，確定了根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)變化新形勢(shì)和新要求，充分利用互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，鞏固提升已建非工程措施，結(jié)合山丘區(qū)貧困縣精準(zhǔn)扶貧工作部署，有序推進(jìn)重點(diǎn)山洪溝（山區(qū)河道）防洪治理試點(diǎn)的防治思路。

我國山洪災(zāi)害防治雖然起步晚，但已建山洪災(zāi)害防治體系發(fā)揮了顯著成效，人員傷亡大幅減少。從已有研究成果的應(yīng)用情況和經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的需求看，進(jìn)一步提高山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警的精準(zhǔn)度是必然趨勢(shì)。針對(duì)暴雨山洪災(zāi)害的特點(diǎn)和關(guān)鍵問題，在小流域暴雨山洪分析模擬和預(yù)報(bào)預(yù)警等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，小流域下墊面特征及產(chǎn)匯流特性、缺資料地區(qū)小流域暴雨洪水規(guī)律、新一代缺資料小流域產(chǎn)匯流模型及分布式水文模型、預(yù)警指標(biāo)體系和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論、小流域山洪災(zāi)害動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)仍然是山洪災(zāi)害防御急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)

2.1 山洪災(zāi)害成因與特點(diǎn) 山洪災(zāi)害的致災(zāi)因素具有自然和社會(huì)的雙重屬性，其形成、發(fā)展與危害程度是降雨、地形地質(zhì)等自然條件和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等社會(huì)因素共同影響的結(jié)果。

（1）降雨因素。降雨是誘發(fā)山洪災(zāi)害的直接因素和激發(fā)條件。山洪的發(fā)生與降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)空分布關(guān)系密切。降雨量大，特別是短歷時(shí)強(qiáng)降雨，在山丘區(qū)特定的下墊面條件下，容易引發(fā)溪河洪水災(zāi)害。

（2）地形地質(zhì)因素。不利的地形地質(zhì)條件是山洪災(zāi)害發(fā)生的重要因素。我國山丘區(qū)面積占國土面積的2/3以上，自西向東呈現(xiàn)出三級(jí)階梯，各級(jí)階梯過渡的斜坡地帶和大山及其邊緣地帶，嶺谷高差達(dá)2000 m以上，山地坡度30°到50°，河床比降陡，多跌水和瀑布，易形成山洪災(zāi)害。

（3）經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素。受人多地少和水土資源的制約，為了發(fā)展經(jīng)濟(jì)，山丘區(qū)資源開發(fā)和建設(shè)活動(dòng)頻繁，人類活動(dòng)對(duì)地表環(huán)境產(chǎn)生了劇烈擾動(dòng)，導(dǎo)致或加劇了山洪災(zāi)害。山丘區(qū)居民房屋選址多在河灘地、岸邊等地段，或削坡建房，一遇山洪極易造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。山丘區(qū)城鎮(zhèn)由于防洪標(biāo)準(zhǔn)普遍較低，經(jīng)常進(jìn)水受淹，往往損失嚴(yán)重。

山洪災(zāi)害在不同的區(qū)域由于降雨、地形地質(zhì)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)及其相互作用方式的不同而表現(xiàn)出空間、時(shí)間分布和危害程度等方面的差異?？傮w上看，我國山洪災(zāi)害有如下基本特點(diǎn)。

（1）分布廣泛、發(fā)生頻繁。我國位于東亞季風(fēng)區(qū)和臺(tái)風(fēng)影響區(qū)，降雨高度集中于夏秋季節(jié)，且地形地質(zhì)狀況復(fù)雜多樣，人口眾多，容易發(fā)生溪河洪水災(zāi)害，從而形成山洪災(zāi)害分布范圍廣、發(fā)生頻繁的特點(diǎn)。

（2）突發(fā)性強(qiáng)，預(yù)測(cè)預(yù)防難度大。我國山丘區(qū)坡高谷深，暴雨強(qiáng)度大，產(chǎn)匯流快，洪水暴漲暴落。從降雨到山洪災(zāi)害形成歷時(shí)短，一般只有幾個(gè)小時(shí)，甚至不到1 h，給山洪災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警帶來很大的困難。

（3）成災(zāi)快，破壞性強(qiáng)。山丘區(qū)因山高坡陡，溪溝河谷密集，洪水匯流快，加之人口和財(cái)產(chǎn)分布在有限的低平地上，往往在洪水過境的短時(shí)間內(nèi)即可造成大的災(zāi)害。

（4）季節(jié)性強(qiáng)，區(qū)域性明顯。山洪災(zāi)害的發(fā)生與暴雨的發(fā)生在時(shí)間上具有高度的一致性。我國的暴雨主要集中在5—9月，山洪災(zāi)害也主要集中在5—9月，尤其是6—8月主汛期更是山洪災(zāi)害的多發(fā)期。山洪災(zāi)害在地域分布上也呈現(xiàn)很強(qiáng)的區(qū)域性，我國西南地區(qū)、秦巴山區(qū)、江南丘陵地區(qū)和東南沿海地區(qū)的山丘區(qū)山洪災(zāi)害集中，暴發(fā)頻次高，易發(fā)性強(qiáng)。

2.2 山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果 2013—2016年，國家防汛抗旱總指揮部辦公室組織全國29個(gè)省和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)、305個(gè)地市和2058個(gè)縣，首次系統(tǒng)深入地開展了山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作，涉及中央、省、地市、縣、鄉(xiāng)、行政村和自然村等7個(gè)層級(jí)。山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)緊密圍繞小流域水文氣象（暴雨）、下墊面特征和人類活動(dòng)等山洪災(zāi)害的影響因素開展。

根據(jù)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果各類匯總數(shù)據(jù)內(nèi)容和特點(diǎn)，按照省、縣、流域?yàn)閱卧獙?duì)調(diào)查評(píng)價(jià)成果匯總和整理，從暴雨特征、下墊面特征、防治區(qū)的范圍、人員分布、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、歷史山洪災(zāi)害、預(yù)警指標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)和區(qū)劃等角度，進(jìn)行空間分布特征分析及空間統(tǒng)計(jì)分析。調(diào)查評(píng)價(jià)初步查清了我國山洪災(zāi)害防治區(qū)的范圍、人員分布、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和歷史山洪災(zāi)害情況，見圖1?；静榍辶?3萬個(gè)小流域的基本特征和暴雨特性；全國共調(diào)查了2138個(gè)縣區(qū)單位，756萬km2國土面積，32 524個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，467 339個(gè)行政村，1 562 602個(gè)自然村，涉及總?cè)丝?億。初步劃定防治區(qū)面積386萬km2（其中重點(diǎn)防治區(qū)面積120萬km2），確定防治區(qū)行政村197 706個(gè)、自然村570 553個(gè)、3億人，企事業(yè)單位152 183個(gè)，劃定危險(xiǎn)區(qū)529 019處、6346萬人、1673萬座房屋，并對(duì)危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)居民家庭財(cái)產(chǎn)和房屋進(jìn)行了分類調(diào)查。調(diào)查歷史山洪災(zāi)害53 235場(chǎng)次，歷史洪水12 738場(chǎng)次；調(diào)查涉水工程250 516座；調(diào)查自動(dòng)監(jiān)測(cè)站87 522個(gè)，簡易雨量站237 420個(gè)，簡易水位站47 324個(gè)，無線預(yù)警廣播站202 235個(gè)；調(diào)查需治理山洪溝29 760條。分析評(píng)價(jià)了163 996個(gè)重點(diǎn)沿河村落。建立了全國統(tǒng)一調(diào)查評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫總量102 TB，開發(fā)應(yīng)用服務(wù)軟件，取得了豐碩的成果。全面梳理各類數(shù)據(jù)，并將調(diào)查評(píng)價(jià)成果推廣應(yīng)用于國家、省、地市和縣級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、小流域暴雨洪水分析、中小流域預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)及氣象、水保、鐵路、交通等多個(gè)領(lǐng)域。

圖1 山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果分布

2.3 歷史山洪災(zāi)害情況 根據(jù)全國山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果，調(diào)查了全國1949—2015年的歷史山洪災(zāi)害情況，中國水利水電科學(xué)研究院（以下簡稱中國水科院）還查閱歷史文獻(xiàn)資料，從史書、地方志、典籍等材料中挖掘整理了公元前586—1911年，近2500年的歷史山洪災(zāi)害事件，共5312縣次；挖掘整理了1911—1949年的歷史山洪災(zāi)害事件，共1209縣次；獲得了到目前為止最為系統(tǒng)和完整的歷史山洪災(zāi)害調(diào)查成果，3個(gè)時(shí)期的歷史山洪災(zāi)害事件分布見圖2。

圖2 不同時(shí)期歷史山洪災(zāi)害分布

全國共調(diào)查了新中國成立以來的歷史山洪事件共53 235場(chǎng)次，平均每縣25場(chǎng)，調(diào)查典型歷史洪水12 738場(chǎng)次，平均每縣6場(chǎng)，資料相對(duì)系統(tǒng)和完整。歷史山洪災(zāi)害累計(jì)死亡人數(shù)約為3970萬人，其中，數(shù)量最多的是四川和江西，死亡人數(shù)分別為1996萬人和1962萬人。歷史山洪災(zāi)害共損毀房屋226萬間，導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失172 633.59億元。發(fā)生山洪災(zāi)害較多的有廣西和甘肅。其中，廣西為最多，共發(fā)生過3401次山洪災(zāi)害，占?xì)v史山洪災(zāi)害總次數(shù)的9.53%；其次，為甘肅、河南和湖南，發(fā)生山洪災(zāi)害的次數(shù)分別為3399次、2771次和2737次，分別占山洪災(zāi)害總次數(shù)的9.52%、7.76%和7.67%；甘肅累計(jì)發(fā)生山洪災(zāi)害的次數(shù)僅次于廣西，比例也僅比廣西低0.01%；發(fā)生山洪災(zāi)害最少的是天津，共發(fā)生了47次，所占比例為0.13%；另外，北京、吉林和青海歷史山洪災(zāi)害也較少，分別為107次、175次和270次，所占比例分別為0.30%、0.49%和0.76%。

2.4 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 以全國范圍調(diào)查評(píng)價(jià)成果大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了以小流域和自然村為單元的山洪災(zāi)害三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法。基于災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)分析理論，運(yùn)用主成分分析法，將全國54類調(diào)查評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)降維至10類；提煉出3個(gè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因子：給出了短歷時(shí)暴雨特征指標(biāo)、單位洪峰模數(shù)及匯流時(shí)間指標(biāo)和房屋危險(xiǎn)性指標(biāo)；提出了兼顧災(zāi)害時(shí)空結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)要素的概率分析方法和山洪風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)化評(píng)估的概率矩陣，以全國山丘區(qū)小流域?yàn)樵u(píng)估對(duì)象，構(gòu)建了全國山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，進(jìn)行三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，形成全國山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估圖，有力推動(dòng)了山洪災(zāi)害預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)管理理論技術(shù)發(fā)展。

2.4.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本原理

（1）各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重確定。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)分析，一級(jí)指標(biāo)危險(xiǎn)性、承險(xiǎn)體和易損性都是風(fēng)險(xiǎn)三角形的組成，三者權(quán)重均為1/3，權(quán)重加和為1。在確定二級(jí)指標(biāo)權(quán)重時(shí)，危險(xiǎn)性指標(biāo)中短歷時(shí)強(qiáng)降雨特征明顯，降雨賦予權(quán)重較高；承險(xiǎn)體指標(biāo)由小流域人口數(shù)、房屋類型和居民家庭財(cái)產(chǎn)類型組成，人口數(shù)權(quán)重相對(duì)較高；易損性指標(biāo)包括Ⅲ和IV類房屋比例、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站和簡易監(jiān)測(cè)站的密度，考慮到監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)與應(yīng)急避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的重要性，權(quán)重相對(duì)較高。

采用歷史山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的驗(yàn)證。根據(jù)典型區(qū)域歷史山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)，推算各小流域山洪災(zāi)害事件發(fā)生可能程度，并與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果對(duì)照，對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整，最終確定指標(biāo)權(quán)重。

（2）風(fēng)險(xiǎn)要素計(jì)算和等級(jí)閾值分析。二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)要素主要包括危險(xiǎn)性要素（H）、承險(xiǎn)體要素（E）和易損性要素（V），各要素又包含若干三級(jí)指標(biāo)（Hi、Ej、Vk），各因子由其相應(yīng)指標(biāo)加權(quán)求和得到。危險(xiǎn)性、承險(xiǎn)體、易損性三要素按如下式計(jì)算：

式中：H、E、V為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)要素危險(xiǎn)性、承險(xiǎn)體和易損性；Hi、Ej、Vk為二級(jí)要素相應(yīng)的三級(jí)指標(biāo)；m、n、l為二級(jí)要素相應(yīng)的三級(jí)指標(biāo)數(shù)量；m′、n′、l′為各三級(jí)要素相應(yīng)的數(shù)量；i、j、k、k′為累計(jì)求和中間變量；W為要素和指標(biāo)的權(quán)重。

二級(jí)因子等級(jí)閾值根據(jù)計(jì)算樣本大小，按從小到大排序，以1/3、2/3樣本量所在的因子計(jì)算值為閾值，將各因子計(jì)算值劃分為低、中、高3個(gè)等級(jí)。

（3）風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算和等級(jí)閾值分析。風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算是將二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)要素求疊積，方法如下式：

圖3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值分析如圖3所示。

2.4.2 全國山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)成果 利用上述方法對(duì)全國山洪災(zāi)害防治區(qū)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得到了全國山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)成果如圖4所示。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：以小流域?yàn)閱卧捎蒙胶闉?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型獲得的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域與山洪災(zāi)害防治區(qū)結(jié)果總體一致，不同等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積、總體分布特征與重點(diǎn)防治區(qū)、一般防治區(qū)和歷史山洪災(zāi)害發(fā)生次數(shù)總體一致。與全國調(diào)查的53 235場(chǎng)歷史山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)對(duì)比，91%的歷史山洪災(zāi)害落在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)密度為190場(chǎng)/萬km2，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)密度為119場(chǎng)/萬km2，較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)密度為98場(chǎng)/萬km2，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)山洪災(zāi)害發(fā)生場(chǎng)次是較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的2倍，說明三維山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型指標(biāo)選取有代表性，評(píng)估方法合理。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果進(jìn)一步揭示了一般防治區(qū)內(nèi)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和重點(diǎn)防治區(qū)內(nèi)的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，進(jìn)一步明晰了重點(diǎn)防災(zāi)對(duì)象，對(duì)于分區(qū)制定減災(zāi)措施、監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重大指導(dǎo)意義。

圖4 全國山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及典型流域風(fēng)險(xiǎn)圖

3 小流域產(chǎn)匯流特征及計(jì)算模型

小流域暴雨洪水規(guī)律與計(jì)算方法研究一直是水文學(xué)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。1930年代，水文模型得到了較大發(fā)展［11］，提出了單位線概念［12］和下滲公式［13］，形成了概念性水文模型，1950年代后期出現(xiàn)了流域水文模型［14］，主要是針對(duì)流域尺度上發(fā)生的水文過程進(jìn)行概化模擬計(jì)算，形成了概念性流域水文模型。1960年代，中國也開始了小流域暴雨洪水計(jì)算的研究，中國水利水電科學(xué)研究院（原水利水電科學(xué)研究院）陳家琦、張恭肅等［15］針對(duì)中小型水利工程建設(shè)需求，歸納總結(jié)了大量經(jīng)驗(yàn)公式，提出了中國水科院推理公式法，廣泛應(yīng)用于小流域暴雨洪水分析和水利工程設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步和數(shù)字化革命，1970年代以來，流域水文模型得到了快速發(fā)展，出現(xiàn)了一系列的集總概念性水文模型和分布式水文模型，如薩克拉門托模型［16］和分布式新安江模型［17］等。時(shí)至今日，一些水文專家逐漸認(rèn)識(shí)到流域水文模型只是原型的近似，不可能反映原型的一切特征，能反映產(chǎn)匯流時(shí)空變化規(guī)律的產(chǎn)匯流理論和集成基本水文現(xiàn)象的模型方法突破時(shí)，才會(huì)有流域水文模型的實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。另外，基于大數(shù)據(jù)理論的流域特征參數(shù)時(shí)空變異與產(chǎn)匯流響應(yīng)的計(jì)算方法也取得了一定進(jìn)展。山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的突出問題是解決缺資料山丘小流域暴雨洪水分析，但已有水文模型不能較好地解決短歷時(shí)暴雨條件下小流域暴雨洪水非線性特征。在此基礎(chǔ)上，中國水科院結(jié)合全國山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作，開展了全國小流域劃分及基礎(chǔ)屬性提取工作，全面系統(tǒng)分析了全國53萬個(gè)小流域特征及下墊面參數(shù)特征，總結(jié)了不同地貌類型小流域產(chǎn)匯流參數(shù)空間分布特征，在此基礎(chǔ)上建立了全國小流域暴雨洪水分布水文模型，推動(dòng)了中國小流域水文模型的進(jìn)步和山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展。

3.1 小流域基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)集 收集整理了全國1∶5萬DEM，DLG和分辨率2.5 m的DOM等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，劃分了全國山丘區(qū)53萬個(gè)小流域并提取了75項(xiàng)小流域基礎(chǔ)屬性，建立了小流域單元及其空間拓?fù)潢P(guān)系，構(gòu)建了流域水系統(tǒng)一編碼體系，形成了全國小流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。系統(tǒng)分析了全國小流域地貌特征、下墊面特征，產(chǎn)匯流特征和影響小流域暴雨洪水主控因子，為山洪災(zāi)害防御和構(gòu)建新一代分布式小流域水文預(yù)報(bào)預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3.2 時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型

3.2.1 模型基本原理 針對(duì)山區(qū)小流域地形地貌多樣、產(chǎn)流機(jī)制復(fù)雜帶來的洪水預(yù)報(bào)精度較低問題，劉昌軍、周劍等提出了適用于小流域短歷時(shí)強(qiáng)降雨條件下的時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型，基于一維入滲理論和Van-Genuchten（VG）模型［18］建立了包氣帶非飽和土壤下滲計(jì)算方法，構(gòu)建山坡地貌水文響應(yīng)單元的非飽和土壤下滲過程，解析不同土壤類型的主要參數(shù)特征，建立平面、垂向、時(shí)段混合的時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型，揭示山區(qū)小流域產(chǎn)流機(jī)制和規(guī)律。具體內(nèi)容如下：（1）提出山坡地貌水文響應(yīng)單元的劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到山區(qū)中小流域山坡地貌響應(yīng)單元的空間分布，并研究不同山坡地貌響應(yīng)單元的下墊面參數(shù)的差異，確定各類山坡地貌水文響應(yīng)單元所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)流機(jī)制；（2）建立并求解非飽和下滲曲線方程以快速獲取濕潤鋒垂向位移，考慮不同含水量單元之間的互吸力，實(shí)現(xiàn)濕潤鋒橫向位移再分配，得到包氣帶土壤水下滲過程；（3）基于包氣帶非飽和土壤下滲過程及不同土壤類型對(duì)暴雨的最大響應(yīng)深度和產(chǎn)流時(shí)間，確定短歷時(shí)暴雨洪水的土壤最大含水量參數(shù)，完成垂向和時(shí)段上超滲產(chǎn)流、淺層土壤蓄滿產(chǎn)流、深層土壤蓄滿產(chǎn)流的機(jī)制轉(zhuǎn)換，建立產(chǎn)流機(jī)制時(shí)空變化的混合產(chǎn)流模型。

3.2.2 垂向混合產(chǎn)流模型結(jié)構(gòu) 時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型的垂向結(jié)構(gòu)是采用不同的概念水庫來模擬土壤包氣帶和飽和帶，從上至下依次是毛細(xì)水庫、重力水庫和變動(dòng)面積飽和產(chǎn)流水庫以及地下水庫。為了更好的模擬水流在土壤中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)及分配情況，將毛細(xì)水庫所模擬的土壤區(qū)域又細(xì)分為淺層土壤區(qū)和深層土壤區(qū)，淺層土壤以超滲產(chǎn)流機(jī)制計(jì)算，采用包氣帶土壤非飽和下滲模型模擬，深層土壤區(qū)以蓄滿產(chǎn)流機(jī)制計(jì)算。變動(dòng)面積飽和產(chǎn)流水庫以蓄滿產(chǎn)流機(jī)制計(jì)算，反映水文響應(yīng)單元內(nèi)蓄滿與超滲區(qū)域的面積比例分配。地下水庫反映實(shí)際土壤中所存在的地下含水層，主要用來計(jì)算基流，時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型垂向結(jié)構(gòu)如圖5，模型主要變量及參數(shù)見表1。時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型采用模塊化的建模搭建方式構(gòu)建。

3.2.3 非飽和土壤下滲 高效穩(wěn)定的計(jì)算包氣帶土壤下滲過程，是實(shí)現(xiàn)山區(qū)中小流域垂向、時(shí)段混合產(chǎn)流機(jī)制轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。Talbot和Ogden［19］提出了一種新的一維入滲和水分再分配的計(jì)算方法，該方法將土壤水分含量離散成多個(gè)假想的有水力聯(lián)系的區(qū)間（bins），以毛細(xì)作用和重力為驅(qū)動(dòng)，每個(gè)bin內(nèi)土壤水分的進(jìn)入和傳播由顯式滲透和排水近似法來模擬，并通過模擬毛細(xì)力為驅(qū)動(dòng)力的區(qū)間內(nèi)流動(dòng)過程，補(bǔ)充濕潤鋒在區(qū)間內(nèi)推進(jìn)造成的水分缺失?；赥albot和Ogden下滲計(jì)算方法，利用Green-Ampt模型下滲速率f（t），結(jié)合Brooks-Corey模型［20］非飽和導(dǎo)水率曲線K（θ），Van-Genuchten模型土壤水分特征曲線Ψ（θ）計(jì)算方法，得到離散區(qū)間的含水量及濕潤鋒的計(jì)算公式，具體公式推導(dǎo)過程見圖6。

圖5 時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型垂向結(jié)構(gòu)

圖6 GAR70非飽和下滲模型計(jì)算理論與流程

3.3 基于分布式時(shí)變單位線的匯流模型 單位線是流域地形、地貌、植被等下墊面及流域大小、形狀等特性的綜合表現(xiàn)，是流域匯流計(jì)算的主要工具之一，在流域水文預(yù)報(bào)、工程設(shè)計(jì)計(jì)算等方面得到了廣泛的應(yīng)用（圖7）。分布式單位線（Dis?tributed Unit Hydrograph，DUH）［21］是英國Maidment在1993年提出的能夠反映地形坡度和匯流路徑匯流空間分布的單位線計(jì)算方法。DUH在分析流域（子流域或計(jì)算單元）單位線時(shí)，充分考慮流域內(nèi)地形、植被等的空間分布特性。其理論依據(jù)與地貌單位線類似，即流域各點(diǎn)到達(dá)流域出口匯流時(shí)間的概率分布等價(jià)于瞬時(shí)單位線，基本原理是利用流域的時(shí)間-面積關(guān)系分析單位線。

美國農(nóng)業(yè)部水土保持局（Soil Conservation Service，SCS）提出的坡面流流速的計(jì)算公式［22］，沒有考慮到水力條件，即降雨對(duì)匯流速度的影響。前蘇聯(lián)杜德金［23］在1937年對(duì)有植被的坡面流速觀測(cè)得流速公式（5）。

圖7 不同雨強(qiáng)不同時(shí)段小流域單位線

表1 時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型主要變量參數(shù)

式中：μ為流速計(jì)算參數(shù)；q為單寬流量，m2/s。這與寬淺河流情況下通過曼寧公式計(jì)算的坡面流速和單寬流量的關(guān)系形式相同。結(jié)合曼寧公式及流速公式（5），考慮雨強(qiáng)對(duì)流域匯流非線性的影響，取流域各點(diǎn)的匯流速度為時(shí)段雨強(qiáng)的函數(shù)，采用下式（6）計(jì)算流域各柵格點(diǎn)的流速：

式中：K為流速系數(shù)；S為坡度；i為單寬流量，m2/s，可用時(shí)段雨強(qiáng)替換。

將匯流時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，得到小流域匯流時(shí)間的概率密度分布（橫坐標(biāo)為匯流時(shí)間，縱坐標(biāo)為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的出流面積與流域面積的比值）—瞬時(shí)單位線。利用瞬時(shí)單位線向時(shí)段單位線的轉(zhuǎn)換方法，將瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)換成所需時(shí)段的時(shí)段單位線。轉(zhuǎn)換公式（7）為

式中：Δt為單位線時(shí)段，h；q(Δ t，t)為時(shí)段單位線，m3/s；F為流域面積，km2；S(t)為由瞬時(shí)單位線得到的S型曲線。

3.4 小流域分布式水文模型 山丘區(qū)小流域具有比降大、匯流歷時(shí)短、水文響應(yīng)快等產(chǎn)匯流特點(diǎn)，傳統(tǒng)水文模型模擬精度難以滿足無資料地區(qū)山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的需求。針對(duì)山丘區(qū)小流域的產(chǎn)匯流特點(diǎn)，中國水科院于2014年開發(fā)了中國山洪水文模型（CNFF-HM）［24］，用于無資料山丘區(qū)小流域洪水模擬和預(yù)報(bào)。

圖8 CNFF-HM結(jié)構(gòu)與計(jì)算流程圖

CNFF-HM模型采用模塊化建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模擬對(duì)象與水文過程算法的耦合，模型把流域概化為子流域、節(jié)點(diǎn)、河段、水源、分水、洼地、水庫等7類不同的要素，把水文過程分解為降水計(jì)算、蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、匯流計(jì)算、演進(jìn)計(jì)算和水庫調(diào)蓄計(jì)算等6個(gè)過程，其中子流域?yàn)楫a(chǎn)匯流基本計(jì)算單元，模型的結(jié)構(gòu)和水文過程算法如圖8所示。子流域及其基本屬性參數(shù)默認(rèn)采用全國小流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。產(chǎn)流模型采用三水源新安江模型和統(tǒng)一混合產(chǎn)流模型，匯流計(jì)算主要采用分布式時(shí)變單位線模型，演進(jìn)計(jì)算采用適用于山區(qū)河（溝）道演進(jìn)計(jì)算的動(dòng)態(tài)馬斯京根法和運(yùn)動(dòng)波模型，降雨、蒸散發(fā)等其他模型方法見文獻(xiàn)［25-26］，本文不詳細(xì)介紹。

CNFF-HM模型是具有物理機(jī)理的日模擬和暴雨山洪連續(xù)模擬耦合模型［17］。其中日模式主要提供日均土壤含水量連續(xù)計(jì)算，暴雨山洪模式計(jì)算時(shí)段可為10 min、30 min或1 h等時(shí)段，模型自適應(yīng)不同時(shí)段長的降雨輸入，輸入數(shù)據(jù)的時(shí)間序列可以是日步長和小時(shí)步長，也可以是兩種數(shù)據(jù)的混合格式。模型已在福建、吉林、河南等地山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運(yùn)行［24］。

3.5 模型參數(shù)率定與檢驗(yàn) 選取了全國范圍361個(gè)流域?qū)崪y(cè)場(chǎng)次降雨洪水資料，利用CNFF-HM模型（其中產(chǎn)流模型為新安江三水源模型）進(jìn)行了模型參數(shù)率定和檢驗(yàn)，率定結(jié)果為：（1）233個(gè)流域的納什系數(shù)平均值在0.7～0.8，其中70%以上場(chǎng)次納什系數(shù)大于0.7，徑流深和洪峰誤差均值小于20%，率定結(jié)果較好。（2）109個(gè)流域的60%以上場(chǎng)次納什系數(shù)大于0.7，徑流深和洪峰誤差均值大于20%，率定結(jié)果一般；（3）19個(gè)小流域的納什系數(shù)均值在0.6以下。

圖9 率定結(jié)果分布

從圖9中率定結(jié)果分布來看，64%的流域模型率定結(jié)果較好，且基本分布在年降雨量大于800 mm的地區(qū)，主要原因是產(chǎn)流模塊采用的新安江模型，目前正在采用時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型對(duì)年降雨量小于800 mm的地區(qū)進(jìn)行模型檢驗(yàn)和參數(shù)率定工作。

4 山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定方法

山洪預(yù)警指標(biāo)一般包括雨量預(yù)警指標(biāo)和水位預(yù)警指標(biāo)。水位預(yù)警指標(biāo)一般應(yīng)用于流域面積較大的中小流域河道洪水預(yù)警，考慮到山丘區(qū)河道小流域匯流時(shí)間較短，預(yù)見期短等特點(diǎn)，自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少等原因，水位預(yù)警指標(biāo)不適用于我國匯流時(shí)間較小的山丘區(qū)小流域。本文著重介紹適用于山丘區(qū)小流域洪水預(yù)警的雨量預(yù)警指標(biāo)確定方法。在總結(jié)分析國內(nèi)外已有山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定方法及預(yù)警指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，給出了我國現(xiàn)有的預(yù)警指標(biāo)確定方法及預(yù)警指標(biāo)。結(jié)合未來新技術(shù)和我國山洪災(zāi)害防治特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)預(yù)警新需求，提出了適用于不同級(jí)別的山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系及其確定方法，為“十三五”山洪災(zāi)害建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

圖10 第一和第二階段得到的全國山丘區(qū)臨界雨量分布

國內(nèi)現(xiàn)有山洪預(yù)警指標(biāo)確定方法主要分3個(gè)階段［27］，2009—2012年為第一階段，各地主要采用經(jīng)驗(yàn)法確定預(yù)警指標(biāo)，該階段的預(yù)警指標(biāo)未考慮物理機(jī)制，精度較低，屬于探索階段；2013—2015年為第二現(xiàn)階段，主要采用水位流量反推法計(jì)算雨量預(yù)警指標(biāo)，但假定暴雨與洪峰流量具有相同的頻率，沒有考慮前期降雨條件對(duì)臨界雨量值的影響，圖10給出了第一階段和第二階段1h全國雨量預(yù)警指標(biāo)分布圖。

同時(shí)隨著調(diào)查評(píng)價(jià)工作的完成，推動(dòng)了多種預(yù)警指標(biāo)計(jì)算方法的發(fā)展；根據(jù)我國山洪災(zāi)害防治前兩個(gè)階段的工作經(jīng)驗(yàn)和存在問題，結(jié)合目前國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展，提出了我國下一階段（2017—2020年）山洪災(zāi)害防治工作預(yù)警指標(biāo)方法和構(gòu)想：以自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)和水文模型為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)警指標(biāo)分析方法（見圖11）；適合簡易雨量站，考慮累積降雨量、前期影響雨量、雨強(qiáng)等因素的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)分析方法；及應(yīng)用于氣象預(yù)警的預(yù)警理論方法，進(jìn)而建立平臺(tái)預(yù)警、現(xiàn)地預(yù)警及氣象預(yù)警三種模式。以提高我國山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息發(fā)布的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)預(yù)警指標(biāo)的科學(xué)化。

5 山洪災(zāi)害防御思路及理論體系

山洪災(zāi)害防治的整體技術(shù)路線是“立足于以防為主，防治結(jié)合，以非工程措施為主，非工程措施與工程措施相結(jié)合，形成綜合防治體系”。同時(shí)堅(jiān)持“突出重點(diǎn)，兼顧一般”的原則，按照輕重緩急，積極穩(wěn)妥地推進(jìn)。在山洪災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)全面建成非工程措施與工程措施相結(jié)合的綜合防災(zāi)減災(zāi)體系。在一般防治區(qū)，初步建立以非工程措施為主的防災(zāi)減災(zāi)體系。

圖11 山洪災(zāi)害動(dòng)態(tài)預(yù)警流程方法

經(jīng)過多年摸索，項(xiàng)目在非工程措施方面逐步形成了“一個(gè)總目標(biāo)，兩個(gè)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，三個(gè)支撐體系”的基本技術(shù)思路，即以有效減少人員傷亡為總目標(biāo)；以數(shù)據(jù)支撐體系、預(yù)警指標(biāo)體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系為手段；以監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)與預(yù)報(bào)預(yù)警模型為核心的自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，以縣鄉(xiāng)村組戶五級(jí)責(zé)任制體系為核心、預(yù)案為基礎(chǔ)、簡易監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備為輔助手段、通過宣傳培訓(xùn)演練，以提高群眾主動(dòng)防災(zāi)避險(xiǎn)意識(shí)和避災(zāi)常識(shí)為目的群測(cè)群防體系。自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系和群測(cè)群防體系互相結(jié)合、互為補(bǔ)充。

5.1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng) 自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)以氣象預(yù)報(bào)為前導(dǎo)，以自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)與預(yù)報(bào)預(yù)警模型為核心，實(shí)現(xiàn)雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警決策。構(gòu)建了山洪災(zāi)害防御信息采集傳輸、存儲(chǔ)分析、共享應(yīng)用全信息鏈的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，建設(shè)了自動(dòng)雨量站、水位站、視頻（圖像）站等為核心的山洪災(zāi)害自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)施設(shè)備，收集和監(jiān)測(cè)水文特征及雨量時(shí)空分布數(shù)據(jù)，掌握實(shí)時(shí)降雨和水位變化，為決策指揮提供數(shù)據(jù)支撐；制定了適用于山洪災(zāi)害預(yù)警方法和多種預(yù)警方式相結(jié)合的山洪災(zāi)害預(yù)警發(fā)布流程；運(yùn)用組網(wǎng)VPN技術(shù)構(gòu)建覆蓋中央、省、市（州）、縣、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，為各級(jí)政府和防汛指揮部的信息傳輸、信息交換、災(zāi)情會(huì)商、山洪警報(bào)傳輸提供信息傳輸平臺(tái)；運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和模型分析技術(shù)建立山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)軟件，具備汛情、災(zāi)情信息的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)接收、處理，提供汛情查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)報(bào)、預(yù)警功能。將決策指揮平臺(tái)分析、判研后發(fā)出的預(yù)警信息，發(fā)送到相關(guān)責(zé)任人的支持系統(tǒng)。

5.2 群測(cè)群防體系 群測(cè)群防體系以縣鄉(xiāng)村組戶五級(jí)責(zé)任制體系為核心，預(yù)案為基礎(chǔ)，以簡易監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備為輔助手段，通過宣傳培訓(xùn)演練，給群眾提供簡易監(jiān)測(cè)設(shè)備和報(bào)警手段，以提高群眾主動(dòng)防災(zāi)避險(xiǎn)意識(shí)和避災(zāi)常識(shí)為目的。群測(cè)群防已成為山洪災(zāi)害防御非工程措施的主要手段和工具之一，它適應(yīng)了山洪災(zāi)害點(diǎn)多面廣、突發(fā)性、局部性、成災(zāi)快的特點(diǎn)。群測(cè)群防體系建設(shè)作為形成山洪災(zāi)害防御主動(dòng)防御體系的重要內(nèi)容：建立和落實(shí)了五級(jí)防御責(zé)任，編制了縣、鄉(xiāng)、村及相關(guān)企事業(yè)單位（景區(qū)、學(xué)校等）的三級(jí)預(yù)案，配備預(yù)警設(shè)施設(shè)備，廣泛開展宣傳、培訓(xùn)和演練?；鶎哟褰M（社區(qū)、學(xué)校等）形成了被動(dòng)接收信息和主動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警相結(jié)合的防御方式：一方面接收縣級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)防汛指揮部門發(fā)送的預(yù)警信息，并傳達(dá)到組、到戶；另一方面開展群測(cè)群防、自測(cè)自防，實(shí)現(xiàn)以村組（社區(qū)、學(xué)校等）為單元的自我防御、主動(dòng)防御。

通過山洪災(zāi)害群測(cè)群防體系建設(shè)實(shí)踐，山洪災(zāi)害防御和所在地山洪風(fēng)險(xiǎn)正逐步為公眾所了解、基層村組社區(qū)面對(duì)山洪災(zāi)害的主動(dòng)防御能力不斷增強(qiáng)，群眾主動(dòng)避險(xiǎn)意識(shí)和自救互救能力顯著提高。與此同時(shí)，我們逐步探索山洪災(zāi)害群測(cè)群防組織動(dòng)員模式，概括為：以人為本、以避為上、政府主導(dǎo)、專業(yè)賦能、結(jié)合地治、注入職責(zé)、雙線防御、村自為戰(zhàn)、普及宣教、全位提能。

6 國家山洪災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)

為做好全國山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)的管理應(yīng)用、協(xié)助國家防辦進(jìn)行各地山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警監(jiān)視管理和災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)決策支持服務(wù)、做好國家層面的監(jiān)測(cè)預(yù)警信息社會(huì)化服務(wù)等工作，建設(shè)了國家山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，包括以高性能計(jì)算集群為核心的大數(shù)據(jù)支撐運(yùn)行環(huán)境、以全國調(diào)查評(píng)價(jià)海量數(shù)據(jù)為核心的山洪災(zāi)害防御時(shí)空大數(shù)據(jù)和“一張圖”、以山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)及洪水實(shí)時(shí)模擬為核心的全國山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)及信息服務(wù)系統(tǒng)［28］。平臺(tái)以7級(jí)行政區(qū)劃和13級(jí)流域水系兩條主線進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，實(shí)現(xiàn)了全國山洪災(zāi)害防御海量時(shí)空大數(shù)據(jù)的管理、多源異構(gòu)復(fù)雜數(shù)據(jù)的高效組織和信息服務(wù)，近年來多次為國家防總的山洪災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)和輔助決策中提供快速的信息支撐服務(wù)。

全國山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)運(yùn)行支撐環(huán)境包括64個(gè)節(jié)點(diǎn)、運(yùn)算能力達(dá)12.9FLOPS的高性能計(jì)算集群、660TB裸容量的高可靠存儲(chǔ)集群、高可用虛擬化服務(wù)器池和高速光纖通信網(wǎng)絡(luò)，為國家山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)運(yùn)行提供計(jì)算、存儲(chǔ)、服務(wù)和數(shù)據(jù)交換能力；全國山洪災(zāi)害防御時(shí)空大數(shù)據(jù)集成了全國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)集、全國下墊面條件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集、全國小流域基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)集與全國山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)庫等靜態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)接收了水文氣象、山洪預(yù)警、遙感影像數(shù)據(jù)及全國山洪模擬與信息發(fā)布等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，涉及全國53萬個(gè)小流域、157萬個(gè)自然村的山洪災(zāi)害防御相關(guān)數(shù)據(jù)、全國高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、全國近10萬個(gè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)、全國5 km網(wǎng)格10 min降雨數(shù)據(jù)、全國多普勒雷達(dá)6 min數(shù)據(jù)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等。截止2017年底，數(shù)據(jù)總量達(dá)到102TB，預(yù)計(jì)每年增量100TB。全國山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)及信息服務(wù)系統(tǒng)基于氣象、水文、流域和行政邊界，構(gòu)建了132個(gè)山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)一級(jí)分區(qū)和5013個(gè)二級(jí)分區(qū)，開發(fā)了基于HPC高性能集群的并行分布式水文模型（見圖12）與山洪風(fēng)險(xiǎn)分析業(yè)務(wù)化系統(tǒng)（見圖13），滿足超大規(guī)模、高精細(xì)度、多過程并行和模塊化的洪水模擬及預(yù)警分析要求，實(shí)現(xiàn)了多源降水?dāng)?shù)據(jù)融合、基于彭曼公式和Richard方程的土壤濕度實(shí)時(shí)模擬和全國53萬個(gè)小流域30 min時(shí)段（或10 min/1h自適應(yīng)）的實(shí)時(shí)連續(xù)模擬、全國近30萬個(gè)斷面洪水過程實(shí)時(shí)模擬大數(shù)據(jù)的管理，將為國家防總及各級(jí)防汛機(jī)構(gòu)，以及鐵路、石油、電力等部門提供山丘區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)警信息服務(wù)。

平臺(tái)綜合應(yīng)用了大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)理念，基于面向服務(wù)及信息共享體系架構(gòu)，采用流域和水系兩條主線對(duì)山洪災(zāi)害防御大數(shù)據(jù)進(jìn)行有序組織和快速定位，以暴雨事件和預(yù)警事件兩個(gè)抓手全方位展示事件關(guān)聯(lián)的多維數(shù)據(jù)，以國家、省、縣、村四個(gè)典型層級(jí)快速定位山洪災(zāi)害發(fā)生位置，提取決策支持的復(fù)合信息。系統(tǒng)已于2015年起陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運(yùn)行，為國家防總掌握全國山洪災(zāi)害防御態(tài)勢(shì)和災(zāi)害應(yīng)急處置綜合決策提供快捷、可靠、全面和精細(xì)的信息服務(wù)。

圖12 全國分布式水文模型集群

圖13 全國山洪模擬及信息服務(wù)系統(tǒng)

7 結(jié)論及展望

（1）山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目解決了山洪災(zāi)害防御“從無到有”的問題，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，適應(yīng)了我國山洪災(zāi)害防治的迫切需求，在一定程度上緩解了山洪災(zāi)害防御水平低、防災(zāi)任務(wù)重與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不相適應(yīng)的矛盾。我國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目的投入和防治水平隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高而不斷提高。山洪災(zāi)害防治工作的“探索”、“起步”、“建設(shè)”和“發(fā)展”四個(gè)時(shí)期與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的低收入、中等偏下、中等偏上和全面小康四個(gè)發(fā)展階段相適應(yīng)。由此可見，山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目的總體建設(shè)思路和技術(shù)路線立足于我國山洪災(zāi)害特點(diǎn)、防治現(xiàn)狀和現(xiàn)階段國情，與國家防災(zāi)減災(zāi)的宏觀方向和要求是一致的。整體技術(shù)路線既符合我國山洪災(zāi)害的特點(diǎn)和規(guī)律，科學(xué)合理，也符合我國現(xiàn)階段減災(zāi)的需求和發(fā)展目標(biāo)。中國山洪災(zāi)害防治思路和技術(shù)路線在中國山洪災(zāi)害防治中取得了較好效果，形成了符合中國國情的具有中國特色的山洪災(zāi)害防御理論體系。

（2）基于現(xiàn)有山洪災(zāi)害防御理論技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合未來大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)成熟應(yīng)用，提出了下一步我國山洪災(zāi)害防御的戰(zhàn)略方向，研發(fā)國家級(jí)山洪災(zāi)害動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)，即在監(jiān)測(cè)方面，綜合應(yīng)用衛(wèi)星、氣象、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)等多源融合數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高降雨監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度；在預(yù)報(bào)預(yù)警方面，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)提出以高精度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以分布式模型為核心的中小流域監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警體系；在平臺(tái)方面，提出建立國家級(jí)山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，發(fā)揮國家級(jí)平臺(tái)的技術(shù)引領(lǐng)作用，進(jìn)行中小流域暴雨洪水預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。改進(jìn)和完善國家級(jí)山洪災(zāi)害氣象預(yù)警方法，積極推動(dòng)開展省級(jí)、地市級(jí)山洪災(zāi)害氣象預(yù)警工作。

（3）拓展提升省級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。充分利用互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，在省級(jí)平臺(tái)開發(fā)部署小流域暴雨洪水分析系統(tǒng)，進(jìn)行山洪災(zāi)害動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)預(yù)警，提高預(yù)警可靠性，拓展升級(jí)省級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)集約集中管理，供地市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和社會(huì)公眾共同使用，解決地方技術(shù)力量薄弱和社會(huì)化服務(wù)問題。通過拓展移動(dòng)端應(yīng)用（APP、微信公眾號(hào)）等技術(shù)手段，進(jìn)行面向社會(huì)公眾的監(jiān)測(cè)預(yù)警信息推送服務(wù)，提升公共預(yù)警能力，擴(kuò)大山洪災(zāi)害防御信息覆蓋范圍。